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宇宙相变引力波 · 阅读路径
低于零度还没结冰的水
很干净的水，可以冷到零下几度还保持液态。等它终于结冰时，冰先在零星几个点长出小冰晶，冰晶长大、相互碰到，直到液体全部冻上。
物理学家把这种变化叫作一阶相变。粒子物理里不少超出标准模型的理论预言：宇宙在大爆炸后极短的一瞬也经历过一次这样的相变，当时温度约为质子静止能量的一百到一千倍。在这些理论里，新状态以泡泡的形式出现，泡壁以接近光速的速度向外推进。
这件事到底有没有发生，现在还不知道。正因为如此，它留下的信号才值得去找：信号会告诉我们对撞机直接够不着的能量下的物理。
对应阅读：Caprini et al., Gravitational waves from first-order phase transitions in LISA: reconstruction pipeline and physics interpretation, arXiv:2403.03723v2 / JCAP 10 (2024) 020 · Caprini et al., Detecting gravitational waves from cosmological phase transitions with LISA: an update, arXiv:1910.13125v2 / JCAP (2020), doi:10.1088/1475-7516/2020/03/024
泡泡把等离子体敲响了
早期宇宙里充满一锅炽热的粒子汤，也就是等离子体。泡壁扫过时会释放能量，推着等离子体走，就像船头推起一道波。每个泡泡都带着一层薄薄的、正在运动的等离子体壳。
泡泡相遇、合并以后，泡壁没了，运动的壳层却还在往前跑。它们变成声波继续传播，彼此穿过很多次。有声波，就有地方被压紧、有地方变稀；运动着、又被压紧的物质会改变周围空间的伸缩。这样不断变化的图样会向外发出引力波，也就是空间形状本身的涟漪。
在泡壁受到等离子体强烈阻力的那些模型里，声波是最响的源。泡泡相撞那一下，反倒不如之后长时间的回响重要。
对应阅读：Caprini et al., Gravitational waves from first-order phase transitions in LISA: reconstruction pipeline and physics interpretation, arXiv:2403.03723v2 / JCAP 10 (2024) 020 · Espinosa, Konstandin, No & Servant, Energy budget of cosmological first-order phase transitions, arXiv:1004.4187v1 / JCAP 1006:028 (2010)
为什么今天的频率在毫赫兹附近
嗡嗡声的音高，由泡泡合并时的大小决定。相变进行得快，冒出的泡泡就多，每个都来不及长大，只有当时宇宙年龄内光能走的距离的百分之几。泡泡越小，音调越高。
之后宇宙膨胀，所有波跟着被拉长。若相变发生在两千亿电子伏的温度，从那时到现在，距离大约放大了两千五百万亿倍。当年装得进一个泡泡里的波，如今要几十分钟才走过一个周期。在我们的算例里，谱峰在 0.68 毫赫兹附近，对应的周期约 25 分钟。
信号的强弱也变了。引力波携带的能量随膨胀被稀释。在我们的算例里，今天的信号只占让宇宙保持平直所需能量密度的一千亿分之几。不过对一台臂长几百万公里的仪器来说，这仍然够得着。
对应阅读：Caprini et al., Gravitational waves from first-order phase transitions in LISA: reconstruction pipeline and physics interpretation, arXiv:2403.03723v2 / JCAP 10 (2024) 020 · Original benchmark tutorial materials (standard-library Python)
LISA 能从谱形里读出什么
LISA 是计划中的空间引力波天文台：三艘飞船排成边长 250 万公里的三角形，用激光测量自由下落的检验质量之间的距离变化。欧洲空间局已经批准这项任务，计划在 2030 年代发射。它最灵敏的频段大约在万分之一赫兹到十分之一赫兹之间。
相变留下的谱是一个横跨好几倍频率的宽鼓包。鼓包的峰在哪里，告诉我们泡泡当年有多大，也就是泡泡冒得多快；鼓包有多高，取决于有多少能量进了运动的等离子体，以及声波在碎成激波和湍流之前响了多久。
麻烦在于，鼓包只有高度和两个拐点这么几个特征，相变却有更多未知数：强度、快慢、温度，还有泡壁速度。2024 年的 LISA 研究表明，只靠谱形，有几个量会缠在一起分不开；再加上粒子物理模型，或者同时测到另一种源，才能把它们拆开。
对应阅读：Caprini et al., Gravitational waves from first-order phase transitions in LISA: reconstruction pipeline and physics interpretation, arXiv:2403.03723v2 / JCAP 10 (2024) 020 · Robson, Cornish & Liu, The construction and use of LISA sensitivity curves, arXiv:1803.01944v2 / Class. Quantum Grav. (2019), doi:10.1088/1361-6382/ab1101
这个预言有多可靠
这些谱先由泡泡和等离子体的计算机模拟得到，再概括成一个只含几个参数的公式。泡壁明显比声速慢或明显比声速快时，公式最好用；泡壁速度接近声速时，运动的壳层变得很薄，公式就描述不好模拟了。强相变时，声波在不到一个膨胀时间里就碎成激波，信号也比早先简单估计的要小。
这样的引力波背景至今没有被探测到。这里所有数字都是在选定参数下的模型预言；实验室会标出公式适用的参数范围。
对应阅读：Caprini et al., Detecting gravitational waves from cosmological phase transitions with LISA: an update, arXiv:1910.13125v2 / JCAP (2020), doi:10.1088/1475-7516/2020/03/024 · Ellis, Lewicki & No, Gravitational waves from first-order cosmological phase transitions: lifetime of the sound wave source, arXiv:2003.07360v4 / JCAP 07 (2020) 050